EP1128181A2 - Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Messgases - Google Patents

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EP1128181A2
EP1128181A2 EP01101570A EP01101570A EP1128181A2 EP 1128181 A2 EP1128181 A2 EP 1128181A2 EP 01101570 A EP01101570 A EP 01101570A EP 01101570 A EP01101570 A EP 01101570A EP 1128181 A2 EP1128181 A2 EP 1128181A2
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measuring
gas
electrode
solid electrolyte
measuring cell
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Silvia Dr. Lenaerts
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the oxygen content of a measuring gas with a sensor as well as the use of the sensor according to the procedure.
  • the sensor points an oxygen ion-conducting solid electrolyte, which removes the sample gas from a Reference gas separates, and which has at least one reference electrode on its reference gas side and has a first and a second measuring electrode on its measuring gas side and the first measuring electrode is covered by a diffusion-limiting layer, a first Measuring cell consisting of the covered first measuring electrode, the solid electrolyte and the reference electrode is formed, operated amperometrically according to the limit current principle and in parallel, a second measuring cell, which consists of the second measuring electrode, the solid electrolyte and the reference electrode is formed, is operated potentiometrically.
  • FIG. 7 shows a section through a tubular gas sensor simultaneous potentiometric oxygen and amperometric oxygen and nitrogen oxide determination. A targeted utilization of the individual sensor signals with certain gas compositions is not scheduled.
  • DE 43 20 881 A1 discloses a sensor for determining a lambda value in one Gas mixture in which a heated lambda probe with a step sensor characteristic and combined another heated lambda probe with broadband sensor characteristics are.
  • the output signal of the lambda probe with step sensor characteristics is used to calibrate the lambda probe with broadband sensor characteristics.
  • the lambda probe disclosed here with a jump-shaped sensor characteristic makes a lambda 1 a jump in resistance, while the lambda probe with broadband sensor characteristic one continuously and preferably in the range of lambda 0.8 to 1.2 linearly changing resistance.
  • oxygen-sensitive layers are used as sensitive materials for the two resistive lambda probes oxygen-sensitive layers are used. A determination of lambda greater than 1.2 is not possible with this sensor arrangement.
  • the problem is solved for the method by determining the oxygen content of the Measuring gas by the first and the second measuring cell in a serial manner and that the Oxygen content of the measuring gas through the second measuring cell in a lambda range of 0.8 to 1.4 is determined and by the first measuring cell in a lambda range of ⁇ 1 to 20 is determined.
  • Use or evaluation of the output signal of a The measuring cell therefore only takes place if there is a certain lambda in the sample gas. It deals is therefore a "series connection" of the measuring ranges, through which an exact measurement of Lambda in the range from 0.8 to approx. 20 is made possible and the measurement accuracy at high like is high at low lambda. This selection of the corresponding output signal in a simple manner.
  • the output signal of the second, potentiometrically operated Measuring cell for various regulation or control measures in combustion processes, preferred in a motor vehicle, while a lambda of ⁇ 1 to about 20 the output signal of the first measuring cell is used for this.
  • the evaluation can be done both in a serial manner and done in parallel.
  • the accuracy of the measurement is increased even more if the second measuring cell is used regularly a calibration value or output signal setpoint stored in an electronic control unit is calibrated when the sample gas is at a lambda value of 1 located.
  • the first measuring cell can then be all the more accurate with the help of the second measuring cell be calibrated.
  • An additional recording of the current temperature of the measuring cells is included in the these calibration procedures advantageous to purely temperature-related shifts in the output signals to be able to determine and take into account.
  • a sensor with an oxygen ion-conducting Solid electrolyte which separates a sample gas from a reference gas, and at least a reference electrode on the reference gas side and a first and a second Measuring electrode on the measuring gas side of the solid electrolyte, the measuring electrodes being independent are arranged from each other and the first measuring electrode from a diffusion-limiting Layer is covered, and with a temperature sensor arranged electrically isolated from the solid electrolyte and / or electric heating element, is for performing the invention
  • the method is excellently suited.
  • the reference electrodes 3a and 3b are located on the reference gas side 2 of the solid electrolyte 1, which is formed, for example, from yttrium-doped ZrO 2 .
  • the measuring electrode 4 shown here including the electrical supply line, which forms a measuring cell with the reference electrode 3b and the solid electrolyte 1, which is operated potentiometrically to determine lambda.
  • the measuring electrode 5 shown here including the electrical supply line
  • the measuring electrode 5 which is covered with a diffusion-limiting layer 6 and which forms a further measuring cell with the reference electrode 3a and the solid electrolyte 1, which is operated amperometrically to determine lambda is used.
  • FIG. 2 shows the oxygen sensor from FIG. 1 in cross section.
  • an electrical heating element 8 for example made of platinum.
  • the heating element 8 is made of an electrically insulating layer 9, for example Aluminum oxide, insulated from the solid electrolyte 1.
  • Temperature sensors for example on the reference gas side 2, are provided.
  • the method can be carried out according to the invention by using an oxygen sensor 1 or FIG. 2 installed in the exhaust system of a motor vehicle becomes.
  • the oxygen sensor is heated to operating temperature with the help of the heating element 8 heated and the lambda of the exhaust gas determined with both measuring cells.
  • An electronic control unit uses the output signals of the two measuring cells to check whether the lambda in the sample gas is above or below 1 and uses the output signal the potentiometrically operated measuring cell if Lambda ⁇ 1.1 or that Output signal of the amperometrically operated measuring cell, if Lambda> 1.1, for example to control the fuel supply of the motor vehicle. With a continuous increase of the lambda value in the exhaust gas changes the use of the output signal with lambda 1.1 from the potentiometric measuring cell to the amperometric measuring cell.
  • Example 1 can be optimized by the following additional process steps. Will with A lambda of 1.1 is measured in the potentiometric measuring cell, so the current output signal calibrated the amperometric measuring cell of the oxygen sensor. Using one in the electronic control unit stored lambda current table becomes a lambda Output signal setpoint belonging to 1.1 of the amperometrically operated measuring cell (here a Current determined in A). The output signal setpoint is then measured with the output signal compared and in the event of a deviation a calibration of the amperometrically operated Measuring cell made.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Messgases mit einem Sensor sowie die Verwendung des Sensors nach dem Verfahren. Es stellt sich das Problem, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Lambda in einem breiten Bereich von 0,8 bis ca. 20 möglichst genau und in einfacher Weise bestimmt werden kann. Das Problem wird für das Verfahren gelöst, indem die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Messgases durch die erste und die zweite Messzelle in serieller Weise erfolgt und dass der Sauerstoffgehalt des Messgases durch die zweite Messzelle in einem Lambda-Bereich von 0.8 bis 1.4 bestimmt wird und durch die erste Messzelle in einem Lambda-Bereich von >= 1 bis 20 bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Messgases mit einem Sensor sowie die Verwendung des Sensors nach dem Verfahren. Der Sensor weist dabei einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten auf, welcher das Messgas von einem Referenzgas trennt, und welcher mindestens eine Referenzelektrode auf seiner Referenzgasseite und eine erste und eine zweite Messelektrode auf seiner Messgasseite aufweist und die erste Messelektrode von einer diffusionslimitierenden Schicht bedeckt ist, wobei eine erste Messzelle, die aus der bedeckten ersten Messelektrode, dem Festelektrolyten und der Referenzelektrode gebildet ist, amperometrisch nach dem Grenzstromprinzip betrieben wird und parallel dazu eine zweite Messzelle, die aus der zweiten Messelektrode, dem Festelektrolyten und der Referenzelektrode gebildet ist, potentiometrisch betrieben wird.
Die DE 197 57 112 A1 beschreibt einen gattungsgemäßen Gassensor zur Messung von Sauerstoff und/oder der Luft/Kraftstoff Verhältniszahl Lambda und mindestens einem weiteren gasförmigen Bestandteil in Gasgemischen. Die Messelektroden auf der Messgasseite und die Referenzelektroden auf der Referenzgasseite eines Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten liefern hier gleichzeitig mindestens zwei, auf gleichen oder unterschiedlichen Messprinzipien basierende Messsignale, denen unterschiedliche gasförmige Bestandteile zugrunde liegen. Insbesondere zeigt Figur 7 einen Schnitt durch einen rohrförmig ausgebildeten Gassensor zur gleichzeitigen potentiometrischen Sauerstoff- und amperometrischen Sauerstoff- und Stickoxidbestimmung. Eine gezielte Verwertung der einzelnen Sensorsignale bei bestimmten Gaszusammensetzungen ist nicht vorgesehen.
Die DE 43 20 881 A1 offenbart einen Sensor zur Bestimmung eines Lambda-Wertes in einem Gasgemisch, bei welchem eine beheizte Lambda-Sonde mit sprungförmiger Sensor-Charakteristik und eine weitere beheizte Lambda-Sonde mit breitbandiger Sensor-Charakteristik kombiniert sind. Das Ausgangssignal der Lambda-Sonde mit sprungförmiger Sensor-Charakteristik wird zur Kalibrierung der Lambda-Sonde mit breitbandiger Sensor-Charakteristik verwendet. Die hier offenbarte Lambda-Sonde mit sprungförmiger Sensor-Charakteristik macht bei Lambda gleich 1 einen Widerstandssprung, während die Lambda-Sonde mit breitbandiger Sensor-Charakteristik einen sich kontinuierlich und vorzugsweise im Bereich von Lambda 0,8 bis 1,2 linear ändernden Widerstand aufweist. Als sensitive Materialien für die beiden resistiven Lambda-Sonden werden sauerstoffsensitive Schichten verwendet. Eine Bestimmung von Lambda größer 1,2 ist mit dieser Sensoranordnung nicht möglich.
Es stellt sich das Problem, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Lambda in einem breiten Bereich von 0,8 bis ca. 20 möglichst genau und in einfacher Weise bestimmt werden kann.
Das Problem wird für das Verfahren gelöst, indem die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Messgases durch die erste und die zweite Messzelle in serieller Weise erfolgt und dass der Sauerstoffgehalt des Messgases durch die zweite Messzelle in einem Lambda-Bereich von 0.8 bis 1.4 bestimmt wird und durch die erste Messzelle in einem Lambda-Bereich von ≥ 1 bis 20 bestimmt wird. Eine Verwendung beziehungsweise Auswertung des Ausgangssignals einer Messzelle erfolgt demnach nur, wenn ein bestimmtes Lambda im Messgas vorliegt. Es handelt sich also um eine "Serienschaltung" der Messbereiche, durch die eine genaue Messung von Lambda im Bereich von 0.8 bis ca. 20 ermöglicht wird und die Messgenauigkeit bei hohem wie bei niedrigem Lambda hoch ist. Durch eine elektronische Steuereinheit kann diese Auswahl des entsprechenden Ausgangssignals in einfacher Weise erfolgen. So kann beispielsweise bei einem Lambda von 0.8 bis 1.4 das Ausgangssignal der zweiten, potentiometrisch betriebenen Messzelle für diverse Regel- oder Steuerungsmaßnahmen bei Verbrennungsvorgängen, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, verwertet werden, während bei einem Lambda von ≥ 1 bis ca. 20 das Ausgangssignal der ersten Messzelle dazu verwendet wird. In einem Lambda-Bereich von ≥ 1 bis 1.4, in welchem sowohl das Ausgangssignal der ersten wie auch das Ausgangssignal der zweiten Messzelle verwendbar ist, kann die Auswertung sowohl in serieller Weise als auch in paralleler Weise erfolgen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn in einem Lambda-Bereich von ≥ 1 bis 1.4 ein Abgleich zwischen dem potentiometrischen Ausgangssignal der zweiten Messzelle und dem amperometrischen Ausgangssignal der ersten Messzelle erfolgt. Dieser Abgleich der Ausgangssignale kann mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit bei einem festgelegten Lambda-Wert oder in bestimmten zeitlichen Intervallen erfolgen. Der Abgleich der Ausgangssignale mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit kann aber, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, auch durch bestimmte Motordaten ausgelöst werden.
Die Genauigkeit der Messung wird noch erhöht, wenn die zweite Messzelle regelmäßig mit Hilfe eines in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Kalibrierwertes beziehungsweise Ausgangssignal-Sollwertes kalibriert wird, wenn sich das Messgas bei einem Lambda-Wert von 1 befindet. Anschließend kann die erste Messzelle mit Hilfe der zweiten Messzelle umso genauer kalibriert werden. Eine zusätzliche Erfassung der aktuellen Temperatur der Messzellen ist bei diesen Kalibriervorgängen vorteilhaft, um rein temperaturbedingte Verschiebungen der Ausgangssignale feststellen und berücksichtigen zu können.
Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines Sensors mit einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, welcher ein Messgas von einem Referenzgas trennt, und mindestens einer Referenzelektrode auf der Referenzgasseite und einer ersten und einer zweiten Messelektrode auf der Messgasseite des Festelektrolyten, wobei die Messelektroden unabhängig voneinander angeordnet sind und die erste Messelektrode von einer diffusionslimitierenden Schicht bedeckt ist, zur Durchführung des Verfahrens geeignet.
Aber auch eine erfindungsgemäße Verwendung eines Sensors mit einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, welcher ein Messgas von einem Referenzgas trennt, und mindestens einer Referenzelektrode auf der Referenzgasseite und einer ersten und einer zweiten Messelektrode auf der Messgasseite des Festelektrolyten, wobei die Messelektroden unabhängig voneinander angeordnet sind und die erste Messelektrode von einer diffusionslimitierenden Schicht bedeckt ist, und mit einem vom Festelektrolyten elektrisch isoliert angeordneten Temperaturfühler und / oder elektrischen Heizelement, ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorragend geeignet.
Die folgenden Figuren zeigen beispielhaft einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Sauerstoffsensor. Die nachfolgenden zwei Beispiele geben Möglichkeiten an, den Sauerstoffsensor aus oben genannten Figuren für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den Beispielen gewählten speziellen Lambda-Werte aus den drei oben angegebenen Lambda-Bereichen ( 0.8 bis 1.4; ≥ 1 bis ca. 20 und ≥ 1 bis 1.4) lediglich zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens herausgegriffen worden sind.
Fig. 1:
Sauerstoffsensor mit je einer potentiometrisch und einer amperometrisch betriebenen Messzelle im Längsschnitt
Fig. 2:
Sauerstoffsensor aus Fig. 1 im Querschnitt mit einem zusätzlichen Heizelement
Fig. 1 zeigt einen Sauerstoffsensor mit einem einseitig geschlossenen, röhrchenförmigen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten 1, der die Referenzgasseite 2 von der Messgasseite trennt. Diese Trennung ist hier durch eine Wandung 7, in welche der Sauerstoffsensor mit einem nicht dargestellten Gehäuse eingebaut wird, nur angedeutet. Auf der Referenzgasseite 2 des Festelektrolyten 1, der beispielsweise aus Yttrium-dotiertem ZrO2 gebildet ist, befinden sich die Referenzelektroden 3a und 3b. Auf der Messgasseite des Festelektrolyten 1 befindet sich die Messelektrode 4 ( hier inklusive elektrischer Zuleitung dargestellt), die mit der Referenzelektrode 3b und dem Festelektrolyten 1 eine Messzelle bildet, welche potentiometrisch betrieben zur Bestimmung von Lambda verwendet wird. Auf der Messgasseite des Festelektrolyten 1 befindet sich außerdem die Messelektrode 5 ( hier inklusive elektrischer Zuleitung dargestellt), die mit einer diffusionslimitierenden Schicht 6 bedeckt ist und die mit der Referenzelektrode 3a und dem Festelektrolyten 1 eine weitere Messzelle bildet, die amperometrisch betrieben zur Bestimmung von Lambda verwendet wird.
Fig. 2 zeigt den Sauerstoffsensor aus Fig. 1 im Querschnitt. Zusätzlich zu den bereits unter Fig. 1 beschriebenen Elementen ist ein elektrisches Heizelement 8, beispielsweise aus Platin, vorhanden. Das Heizelement 8 ist durch eine elektrisch isolierende Schicht 9, beispielsweise aus Aluminiumoxid, vom Festelektrolyten 1 isoliert angeordnet. Zusätzlich kann ein hier nicht dargestellter Temperaturfühler, beispielsweise auf der Referenzgasseite 2, vorgesehen werden.
Beispiel 1:
Eine erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens kann erfolgen, indem ein Sauerstoffsensor gemäß Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2 in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges eingebaut wird. Beim Start des Motors wird der Sauerstoffsensor mit Hilfe des Heizelementes 8 auf Betriebstemperatur aufgeheizt und das Lambda des Abgases mit beiden Messzellen bestimmt. Eine elektronische Steuereinheit überprüft anhand der Ausgangssignale der beiden Messzellen, ob sich Lambda im Messgas oberhalb oder unterhalb 1 befindet und verwendet das Ausgangssignal der potentiometrisch betriebenen Messzelle, wenn Lambda ≤ 1.1 beziehungsweise das Ausgangssignal der amperometrisch betriebenen Messzelle, wenn Lambda > 1.1, beispielsweise zur Steuerung der Kraftstoff-Zufuhr des Kraftfahrzeuges. Bei einem kontinuierlichen Anstieg des Lambda-Wertes im Abgas wechselt die Verwendung des Ausgangssignals bei Lambda 1.1 von der potentiometrischen betriebenen Messzelle zur amperometrisch betriebenen Messzelle.
Beispiel 2:
Das Beispiel 1 kann durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte optimiert werden. Wird mit der potentiometrischen Messzelle ein Lambda von 1.1 gemessen, so wird das aktuelle Ausgangssignal der amperometrischen Messzelle des Sauerstoffsensors kalibriert. Anhand einer in der elektronischen Steuereinheit hinterlegten Lambda-Strom-Tabelle wird der zu einem Lambda von 1.1 gehörige Ausgangssignal-Sollwert der amperometrisch betriebenen Messzelle ( hier ein Strom in A) ermittelt. Der Ausgangssignal-Sollwert wird dann mit dem gemessenen Ausgangssignal verglichen und bei einer Abweichung eine Kalibrierung der amperometrisch betriebenen Messzelle vorgenommen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Messgases mit einem Sensor, der einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten aufweist, welcher das Messgas von einem Referenzgas trennt, und welcher mindestens eine Referenzelektrode auf seiner Referenzgasseite und eine erste und eine zweite Messelektrode auf seiner Messgasseite aufweist und die erste Messelektrode von einer diffusionslimitierenden Schicht bedeckt ist, wobei eine erste Messzelle, die aus der bedeckten ersten Messelektrode, dem Festelektrolyten und der Referenzelektrode gebildet ist, amperometrisch nach dem Grenzstromprinzip betrieben wird und parallel dazu eine zweite Messzelle, die aus der zweiten Messelektrode, dem Festelektrolyten und der Referenzelektrode gebildet ist, potentiometrisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Messgases durch die erste ( 3a; 1; 5; 6 ) und die zweite Messzelle ( 3b; 1; 4 ) in serieller Weise erfolgt und dass der Sauerstoffgehaltes des Messgases durch die zweite Messzelle ( 3b; 1; 4) in einem Lambda-Bereich von 0.8 bis 1.4 bestimmt wird und durch die erste Messzelle ( 3a; 1; 5; 6 ) in einem Lambda-Bereich von ≥ 1 bis 20 bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lambda-Bereich von ≥ 1 bis 1.4 ein Abgleich zwischen dem potentiometrischen Ausgangssignal der zweiten Messzelle ( 3b; 1; 4 ) und dem amperometrischen Ausgangssignal der ersten Messzelle ( 3a; 1; 5; 6 ) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Ausgangssignale mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit bei einem festgelegten Lambda-Wert erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Ausgangssignale mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit in bestimmten zeitlichen Intervallen erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Ausgangssignale mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit durch bestimmte Motordaten ausgelöst wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messzelle ( 3b; 1; 4 ) mit Hilfe eines in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Kalibrierwertes in einem Lambda-Bereich von 0.8 bis 1 kalibriert wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messzelle ( 3a; 1; 5; 6 ) mit Hilfe der zweiten Messzelle ( 3b; 1; 4 ) kalibriert wird.
  8. Verwendung eines Sensors mit einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten (1), welcher ein Messgas von einem Referenzgas trennt, und mindestens einer Referenzelektrode ( 3a; 3b) auf der Referenzgasseite ( 2) und einer ersten ( 5 ) und einer zweiten Messelektrode (4) auf der Messgasseite des Festelektrolyten (1), wobei die Messelektroden (4; 5 ) unabhängig voneinander angeordnet sind und die erste Messelektrode ( 5 ) von einer diffusionslimitierenden Schicht ( 6 ) bedeckt ist, zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verwendung eines Sensors mit einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten (1), welcher ein Messgas von einem Referenzgas trennt, und mindestens einer Referenzelektrode ( 3a; 3b) auf der Referenzgasseite ( 2 ) und einer ersten ( 5 ) und einer zweiten Messelektrode (4) auf der Messgasseite des Festelektrolyten (1), wobei die Messelektroden (4; 5) unabhängig voneinander angeordnet sind und die erste Messelektrode ( 5) von einer diffusionslimitierenden Schicht ( 6 ) bedeckt ist, und mit einem isoliert vom Festelektrolyten (1) angeordneten Temperaturfühler und /oder elektrischen Heizelement ( 8 ) zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.
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